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焊接冶金学（基本原理）
部分习题及答案
绪论
一、什么是焊接，其物理本质是什么？
1、定义：
焊接通过加热或加压；或两者并用，使焊件达到原子结合，从而形成永久性
连接工艺。
2、物理本质：
焊接的物理本质是使两个独立的工件实现了原子间结合，
对于金属而言，
既实现了金属键结合。
二、怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？
1、对被焊接的材质施加压力：
目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接
触面积，从而达到紧密接触。
2、对被焊材料加热（局部或整体）：
对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时
接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原于的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。
三、试述熔焊、钎焊在本质上有何区别？
钎焊母材不溶化，熔焊母材溶化。
1.温度场定义，分类及其影响因素。
1、定义：
焊接接头上某一瞬间各点的温度分布状态。
2、分类：
1）稳定温度场——温度场各点温度不随时间而变动；
2）非稳定温度场——温度场各点随时间而变动；
3）准稳定温度场——温度随时间暂时不变动，热饱和状态；或随热源一起移动。
3、影响因素：
1）热源的性质
2）焊接线能量
3）被焊金属的热物理性质
a.热导率
b.比热容
c.容积比热容
d.热扩散率
e.热焓
f.表面散热系数
4）焊件厚板及形状
第一章
二、焊接化学冶金分为哪几个反应区，各区有何特点？
1、药皮反应区：
指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。
（100-1200℃）
1）水分蒸发：
100℃吸附水的蒸发，200－400℃结晶水的去除，化合水在更高温度下析出
2）某些物质分解:
形成Co，CO2，H2O，O2等气体
3）铁合金氧化：
先期氧化，降低气相的氧化性
2、熔滴反应区：
指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个熔池
1）
温度高：
1800－2400℃
2）
与气体、熔渣的接触面积大
：
1000－10000cm2/kg
3）时间短速度快：
0.01-0.1s；0.0001-0.001s
4）熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合.
3、熔池反应区
1）反应速度低
熔池T1600~1900℃低于熔滴
T；比表面积，接触面积小
300~1300cm2/kg
；时间
长，手工焊3~8秒埋弧焊6~25s
2）熔池温度不均匀的突出特点
熔池前斗部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸热反应熔池后斗部分发生金属凝固和气体的析出,利于放热反应
3）具有一定的搅拌作用
促进焊缝成分的均匀化，有助于加快反应速度，有益于气体和夹渣物的排除。
然而，
没有熔滴阶段激烈。
三、焊接区内有那些气体？
它们是怎样产生的？
1、种类：
CO、CO2、H2、H2O、O2、N2金属及熔渣蒸气
2、来源：
1）焊接材料
2）气体介质
3）焊丝和母材表面上的油锈等杂质
4）金属和熔渣的蒸发产生的气体
3、供给途径：
一部分是直接输入或侵入的原始气体；另一部分是通过物化反应所生成的气体。
1）有机物的分解和燃烧:
纤维素的氧化分解
2（C6H10O5）m7mO212mCO210mH2
2）碳酸盐和高价氧化物的分解
CaCO3
CaO
CO2
lgp（CO2/CaCO3）
8920/T
7.54
MgCO3
MgO
CO2
lgp（CO2/MgCO3）
5785/T
6.27
四、为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它的正常溶解度？
电弧中受激的氮分子，特别是氮原子的溶解速度比没受激的氮分子要快得多；
氮离子N+在氧化性电弧气氛中形成NO，遇到温度较低的液态金属它分解为
速溶于金属。
五、氮对焊接质量有哪些影响？
控制焊缝含氮量的主要措施是什么？
N和
电弧中的
O，N迅
1、影响：
1）促进焊缝中气孔的形成，金属凝固时氮气来不及逸出；
2）改变焊缝的力学性能，氮能提高焊缝的强度和硬度，但会使焊缝的塑性和韧性降低；
3）时效脆化，针状氮化物Fe4N，造成塑性和韧性下降。
加入Ti，Al可形成稳定的化合物，可抑制这种脆化现象。
2、主要措施：
1）机械保护：
气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。
对于适渣型焊条：
保护效果取决于药皮的数量及成分。
2）焊接工艺规范影响：
U↓,I↑直流,反接
3）焊丝成分的影响：
增加焊丝或药皮中的Ti的含量可生成稳定的氮化物；
增加含碳量可降低氮在金属中的溶解度。
六、手弧焊时，氢通过哪些途径向液态铁中溶解？
写出溶解反应及规律？
1、氢以原子或质子形式溶入（气保焊）
2、以[OH]溶入（电渣焊）
氢通过熔渣向金属中溶解时，氢先溶于熔渣，然后再以
[OH]
向金属中过渡
H2O
（O2
）?
2（OH
）
（Fe2）
2（OH
）?
[Fe]
2[O]
2[H]
七、氢对焊接质量有那些影响?
如何加以控制？
1、影响：
暂态现象：
脆化、白点、经时效、热处理可消除
永久现象：
气孔、改变组织、显微斑点、冷裂纹、不可消除
1）氢脆：
氢在室温附近，氢溶解在金属晶格中，引起钢的塑性严重下降现象
2）白点：
肉眼可见，直径0.5～3mm中心处有气孔或小的夹渣，外围有塑性裂断的痕迹，象鱼眼似的也称“鱼眼”.
3）气孔
4）组织变化和显微斑点：
焊缝金属A—M时，由于氢在A有较大的溶解度，当含氢
量高的焊缝自A化，温度冷却时，引起局部
A过冷残余
A增加，残余A—M时，富氢
的组织内产生大的内应力，造成显微裂纹
5）产生冷裂纹
2、控制氢的措施
1）限制焊接材料的含氢量，药皮成分
2）严格清理工件及焊丝：
去锈、油污、吸附水分
十、CO2保护焊焊接低合金钢时，应采用什么焊丝？
为什么？
用普通焊丝（H08A）进行保护焊时，由于碳的氧化在焊缝中产生气体，同时合金元素
烧损，焊缝含氧量增大。
所以必须采用含硅、锰高的焊丝（H08Mn2Si）或药芯焊丝，以利
于脱氧，获得优质焊缝。
十一、分子理论和离子理论的主要观点是什么？
1、分子理论：
1）液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成自由氧化物:
SiO2,CaO,Al2O3
氧化物复合物：
SiO2·CaO
2）.自由氧化物与其复合氧化物处于化合与分解的平衡状态
（CaOSiO2）
CaOSiO2CaO.SiO2Qk
（CaO）（SiO2）
当T↑k↓自由氧化物↑浓度复合物浓度↓熔渣活性↑
T↓k↑自由氧化物浓度↓复合物浓度↑熔渣活性↓
3）只有自由氧化物才能与金属作用
（FeO）[C][Fe]CO
2、离子理论
熔渣的离子理论是在研究熔渣电化学性质的基础上提出的。
与分子理论相比，更接近熔渣的实际情况。
1）熔滴是由简单和复杂的离子组成的电中性溶液
负电性大的元素以阴离子形式存在F.Cl.O2负电性小的元素以阳离子形式存在Ca.K.Fe2碱性渣中SiO2少，氧以自由氧离子形式存在
酸性渣中SiO2多，形式复杂的离子.
SiO之间形成离子团，极性键结合.
2）离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩
综合矩=Z/rr=101nmT,r,Z/r
其子Z—离子电荷（静电单位）
r—离子半径
离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大
3）液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子交换电荷的过程
离子理论（Si4）2[Fe]2（Fe2）[Si]
由于离子交换电荷、运动、形成电流.
3、分子－离子共存理论：
SiO44SiO22O2
十二、什么是长渣和短渣？
其适用性有何不同？
十三、论述焊接熔渣对金属的氧化途径及影响因素。
1、氧化途径
1）置换氧化：
指被焊金属与其他金属或非金属的氧化物发生置换反应而导致的氧化
2）扩散氧化：
是指熔渣中的氧化物通过扩散进入被焊金属而使金属增氧
2、影响因素
1）置换氧化：
活性熔渣对金属的氧化能力与其活性系数
活度AF与焊剂组成物的质量分数w和焊剂的碱度B1
AF
有关。
有关。
对于熔炼焊剂而言，
2）扩散氧化：
在一定的温度下，增加熔渣中
FeO
的含量，
FeO
将向钢液中扩散，从
而使焊缝中含氧量增加。
十四、焊缝金属脱氧的途径有哪些？
脱氧效果如何？
1、先期脱氧：
药皮反应区，碳酸盐分解为O2和CO2
nMemCO2MenOmmCO
2nMemO22MenOm
温度低，先期脱氧的效果不充分
2、沉淀脱氧：
是指溶解在液态金属中的脱氧剂将被焊金属及其合金从其氧化物中还原
出来，并使脱氧产物浮到熔渣中的脱氧方式。
主要在熔滴和熔池中进行。
常用的脱氧剂
为Mn、Si。
1）Mn的脱氧
2）Si的脱氧.
3）Si/Mn联合脱氧
3、扩散脱氧：
是指被焊金属的氧化物通过扩散从液态金属进入熔渣，从而降低焊缝含氧量的一种方式。
脱氧的程度由分配定律决定。
1）扩散脱氧的效果主要与温度和熔渣的性质有关
在相同温度下，酸性渣比碱性渣易使Fe向熔渣中分配
2）扩散脱氧是不充分在熔池的尾部进行的，导致扩散脱氧。
第二章
一、焊条药皮的作用及组成?
1、药皮的作用：
1）机械保护作用（造渣、造气）
2）冶金处理作用（脱氧、合金化）
3）工艺性能改善作用（稳弧、脱渣、成形）
2、药皮的组成：
1）焊条药皮是由具有不同物理性质和化学性质的多种材料混合而成的涂层。
2）这些材料包括氧化物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、金属和铁合金等。
3）按药皮功能可分为稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、粘接剂和成形剂。
二、指出焊条型号所代表的含义，并以E4303和E5015为例加以说明。
焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。
以结构钢为例，型号编制法为字母
“E”表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，
第三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。
E4303
表示焊条药皮为钛钙型，并可采
用交流或直流正、反接焊接
表示焊条适用于全位置焊接
表示熔敷金属抗拉强度的最小值
表示焊条
三、焊条的工艺性能包括哪些方面?
1、焊接电弧的稳定性
2、焊缝成形
3、各种位置焊接的适应性
4、飞溅
5、脱渣性
6、焊条熔化速度
7、焊条药皮发红
8、焊接烟尘
四、试对比分析酸性焊条及碱性焊条的工艺性能、冶金性能。
1、酸性焊条：
1）氧化性强，对金属有较强的氧化作用，机械性能特别是冲击韧性比碱性低；
2）酸性渣脱硫、磷困难，抗裂性差；
3）焊接工艺性能良好，成形美观，对锈、油、水份的敏感性不大，抗气孔能力强；
4）电源交直流两用，直流正接。
2、碱性焊条：
1）熔敷金属含氢量低，抗裂性好，冲击韧性高；
2）对锈、油、水份敏感，操作不当易产生气孔；
3）电弧稳定性差，只能采用直流，深坡口脱渣性不好，焊接时烟尘较大，要注意通风和防护。
五、试分析低氢型碱性焊条降低发尘量及毒性的主要途径。
低氢型碳钢焊条的焊接烟尘量高于钛钙型焊条，烟尘中危害最大的是KF，NaF，而钠钾主要存在于水玻璃中，故可用树脂来降低水玻璃的粘性作用。
六、低氢型焊条为什么对于铁锈、油污、水份很敏感？
低氢焊条的熔渣不具有氧化性，一旦有氢侵入熔池，将很难脱出，所以低氢焊条对于铁锈、油污，水分很敏感，必须严格控制氢的来源才可以保证焊接质量。
第三章
二、试述熔池的结晶线速度与焊接速度的关系。
晶粒生长的平均线速度是变化的：
晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合处最小，在焊道中心处最大（等于焊接速度）。
在焊接热源功率一定时，焊接速度越大，晶粒的成长速度也越大。
三、简述熔池的结晶形态,并分析结晶速度、温度梯度和浓度对结晶形态的影响。
晶体形态主要有平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶、树枝状结晶、等轴结晶。
在焊缝
的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，故成分过冷接近于0，所以平面
结晶得到发展，随着远离熔化边界向焊缝中心过渡时，温度梯度G变小，而结晶速度增大，
所以结晶形态将由平面晶和胞状晶树枝胞状晶一直到等轴晶发展。
四、分析焊缝和熔合区的化学不均匀性，为什么会形成这种不均匀性？
所谓的化学不均匀性指的是结晶过程中化学成分的一种偏析现象。
焊接过程中的偏析包括：
1、显微偏析（或枝晶偏析）
形成原因：
焊接时冷却速度大，液固界面溶质来不及扩散，纯金属先结晶，杂质后结
晶，形成晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝晶的晶枝之间的成分偏析。
2、宏观偏析（区域偏析）
形成原因：
当焊速极大，焊缝以柱状晶长大时，把杂质推向熔池中心，中心杂质浓度升高，形成焊缝边缘到焊缝中心的成分不均匀性。
3、层状偏析（由于化学成分不均匀性引起分层现象）
形成原因：
由于结晶过程周期性变化（结晶潜热和熔滴过渡时热量的输入周期性变
化）导致晶体成长速度R发生周期性变化，R升高，结晶前沿溶质浓度升高，R减小，结晶前沿的溶质浓度减少，最终形成溶质浓度层状变化的偏析层。
六、试述氢气和ＣＯ气孔的形成原因、特征及如何防止。
1、氢气孔：
产生原因：
焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，
使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。
特征：
多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看呈园喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁。
有个别残存在内部，以小圆球状存在。
防止措施：
①限制焊接材料的含氢量（药皮成分）；②严格清理工件及焊丝（去锈、油污、吸附水分）；③冶金处理；④调整焊接规范；⑤焊后脱氢处理。
2、CO气孔：
产生原因：
高温冶金反应。
CO不溶于液态金属，在高温时，CO以气泡的形式猛烈地逸出，但熔池结晶时，η↑，CO不易逸出，此反应为吸热反应，促使结晶速度加快，
CO形成气泡不能逸出，沿结晶方向形成条虫形内气孔。
特征：
焊缝内部，条虫状，表面光滑。
防止措施：
①冶金方面：
降低熔渣的氧化性；适当增加焊条药皮和焊剂的氧化性组成
物；焊条用前进行烘干处理，并尽可能消除焊材上的铁锈和氧化皮等。
②工艺方面：
正
确选择焊接工艺参数；选合理的电流种类和极性（一般直流反接时气孔最小）；工艺操作得当。
第四章
二、建立焊接条件下CCT图的意义何在？
可以比较方便地预测焊接热影响区的组织和性能。
并能作为选择焊接线能量、预热温度
和制定焊接工艺的依据。
三、相同条件下焊接45钢和40Cr钢，哪一种钢淬硬倾向大，为什么？
在相同的条件下焊接45钢和40Cr钢，45钢的淬硬倾向大。
因为45钢不含碳化物形
成元素，奥氏体开始长大温度低，高温区晶粒粗大，容易形成粗大的马氏体，而40Cr含强
碳化物形成元素，强碳化物分解温度高，碳化物的存在会阻碍奥氏体晶粒长大，形成细小的
马氏体；钢的淬硬倾向取决于钢的含碳量，45钢的含碳量比40Cr高。
四、HAZ脆化类型有哪些？
1、粗晶脆化
2、组织脆化
①M-A组元脆化②析出脆化③遗传脆化
3、HAZ的热应变时效脆化
①静应变时效脆化②动应变时效脆化
五、易淬火钢的HAZ区组织特征分布及力学性能如何？
1、焊前为正火或退火状态，焊前母材为F+P（S、B）组织，HAZ
主要由完全淬火区和不
完全淬火区组成。
1）完全淬火区最后得到淬火组织为
M或M+B，力学性能硬而脆；
2）不完全淬火区最后得到淬火组织为M+F混合组织，力学性能硬而脆。
2、焊前母材为调质态，调质后母材为回火组织，其HAZ分为：
1）完全淬火区（组织特点与正火状态下完全相同，为M类型组织），力学性能硬而脆；
2）不完全淬火区（组织状态与正火状态下完全相同，为M+F类型的混合组织），力学性能硬而脆；
3）回火区（母材被加热到的Tm处于AC1～T回（调质处理时的回火温度），发生回火软化现象，原因与强化相的析出有关）。
六、不易淬火钢的HAZ区组织特征分布及力学性能如何？
1、熔合区（半熔化区），温度处于固液相线之间，晶粒粗大，可能出现魏氏组织，硬化后易产生裂纹，塑性不好；
2、过热区（固相线至1100℃范围），粗晶与细晶交替混合；
3、相变重结晶区（正火区，温度在Ac3以上），晶粒细化，机械性能良好；
4、不完全重结晶区（温度处于Ac1－Ac3之间），粗大铁素体和细小珠光体、铁素体机械性能不均匀，急冷时可出现高碳马氏体。
七、HAZ最大硬度意义是什么，影响因素哪些？
1、意义：
采用HAZ最大硬度Hmax作为一个因子来评价金属的焊接性，不仅反映了化学成分的作用，同时放映了不同组织形态的作用。
2、影响因素：
是含碳量、合金元素及冷却条件等。
八、碳当量的定义，表达方式有哪些，试用范围有何区别？
1、定义：
将钢铁中各种合金元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减，这样算的
的碳量称为“碳当量”。
2、表达方式及适用范围：
1）
CEIIW
MnCuNi
Cr
Mo
V
C
15
5
6
适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢（
σ
500~900MPa）
b
2）
CeqWES
Mn
Si
Ni
Cr
Mo
V
C
24
40
5
4
14
6
适用于低碳调质的低合金高强度钢（
σ500~1000MPa
）
b
3）
PcmC
SiMn
Cu
Cr
Ni
Mo
V
5B
30
20
60
15
10
适用于C=0.07%～0.22%,σ
400~1000MPa的低合金高强度钢
b
4）
CENC
Si
Mn
Cu
Ni
Cr
MoVNb
AC
16
15
20
5
5B
24
十一、分析M-A组元的形成原因及其对焊缝性能的影响
第五章
一、简述焊接裂纹的种类及其特征和产生的原因。
按产生裂纹的本质来分，焊接裂纹可分为五大类：
1、热裂纹
产生：
在焊接时高温下产生。
特征：
宏观看,沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质。
热裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹等三类。
2、再热裂纹
产生：
由于重新加热（热处理）过程中产生称再热裂纹—消除应力处理裂纹。
特征：
多发生的低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接
热影响区粗晶部位。
再热裂纹的敏感温度，视钢种的不同约550～650℃。
3、冷裂纹
产生：
温度区间在+100℃～-75℃之间。
特征（断口）：
宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。
微观看：
晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。
冷裂纹又分为延迟裂纹、淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）、低塑性脆化裂纹等三类。
4、层状撕裂
产生：
由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物（特别是硫化物夹杂物）和焊接时产生
的垂直轧制方向的应力，使热影响区附近地方产生呈“台阶”状的层状断裂并有穿晶发
展。
特征：
它属于低温开裂，一般低合金钢，撕裂的温度不超过400℃；常发生在厚壁结
构的T型接头、十字接头和角接头，是一种难以修复的失效类型。
5、应力腐蚀裂纹
产生：
金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象，称应力
腐蚀裂纹。
特征：
形态如同枯干的树枝，从表面向深处发展，大多属于晶间断裂性质，少数也有
穿晶断裂。
从端口来看，为典型的脆性断口。
二、焊接结晶裂纹的形成过程及条件是什么？
1、过程：
在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶物被排挤在晶界，形成一种所谓的
“液态薄膜”，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开裂，产生结晶裂纹。
2、条件：
必要条件是拉伸应力。
焊缝在脆性温度区间所承受的拉伸应变大于焊缝金属
所具有塑性，或者说焊缝金属在脆性温度区间内的塑性储备量es小于零时就会产生结晶
裂纹。
三、结晶裂纹冶金和力学影响因素有哪些？
防治措施有哪些？
1、冶金因素
1）结晶温度区间
2）合金元素
3）低熔共晶形态
4）结晶组织形态及组织对结晶裂纹的影响
2、力学因素
在焊接时脆性温度区内金属的强度要小在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力。
产生结晶裂纹的充分条件：
m
产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作用，二者缺一不可。
3、防止措施
1）冶金方面①控制焊缝中有害杂质的含量
限制S、P、C含量S、P<0.03-0.04
焊丝C<0.12%（低碳钢）
焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝
②改善焊缝的一次结晶
细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al双相组织
③限制熔合比
④利用“愈合作用”
2）工艺方面（减少拉应力）
四、什么是脆性温度区间？
在脆性温度区间内为什么金属的塑性很低？
1、脆性温度区间：
熔池金属进入固液阶段，由于液态金属少，主要是那些低熔点共晶，
在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填充，只有稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能，该区间称为脆性温度区间。
[金属在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属呈现脆性
断裂，把该温度区间定义为脆性温度区间]
2、由于该区间液态金属的流动困难，延伸率低，金属呈脆性断裂，故该区间的金属塑
性很低
五、综合分析脆性温度区及在该区内金属的塑性和变形增长率之间的影响因素。
1、在脆性温度区间内金属的塑性越小，越容易产生结晶裂纹，它主要决定于化学成分，
凝固条件，偏析程度，晶粒大小和方向等冶金因素。
2、脆性温度区间内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大，应变得增长率将增
大，产生结
升级会员 